周寶倉(cāng)　呂金龍　肖鐵忠　崔仲鳴

摘 要：隨著智能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)憑借高精準(zhǔn)度、高效率以及實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文首先介紹機(jī)器視覺(jué)發(fā)展現(xiàn)狀;其次闡述視覺(jué)系統(tǒng)的基本組成，并梳理硬件部分和機(jī)器視覺(jué)軟件;再次介紹機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用;最后分析目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)所面臨的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果對(duì)我國(guó)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展及工業(yè)智能化建設(shè)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);視覺(jué)系統(tǒng);視覺(jué)軟件;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）31-0018-03

Research Status and Development Trend of Machine Vision Technology

ZHOU Baocang LYU Jinlong XIAO Tiezhong CUI Zhongming

（1.School of Mechanical & Electrical Engineering， Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001;2.Sichuan Equipment Manufacturing Engineering Technology Applications Laboratory of Robotics， Deyang Sichuan 618000）

Abstract： With the continuous development of intelligent industry， machine vision technology has been widely used in many fields with the advantages of high precision， high efficiency and real-time. Firstly， the development status of machine vision is introduced. Secondly， the basic components of the vision system are described， and the hardware and machine vision software are combed. Then the application of machine vision in industrial field is introduced. Finally， the problems faced by machine vision technology and the development trend in the future are analyzed. The research results are of great significance to the development of machine vision and the construction of industrial intelligence in China.

Keywords： machine vision;visual system;visual software;development trends

智能制造是我國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)的重要途徑。通過(guò)對(duì)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行智能化建設(shè)，能促進(jìn)我國(guó)工業(yè)更快更好的發(fā)展。機(jī)器視覺(jué)是利用光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動(dòng)接收和處理真實(shí)物體的圖像信息，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。機(jī)器視覺(jué)是模仿人的眼睛進(jìn)行測(cè)量和判斷[1]。機(jī)器視覺(jué)具有高精準(zhǔn)性、高效率及可持續(xù)工作等優(yōu)勢(shì)，擅長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景進(jìn)行定量測(cè)量。隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)的不斷深入，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在汽車制造、印刷包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及紡織等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，推動(dòng)機(jī)器視覺(jué)相關(guān)技術(shù)的研究對(duì)智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著極其重要的意義。

1 機(jī)器視覺(jué)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)機(jī)器視覺(jué)的研究開始于20世紀(jì)50年代，Gilson提出“光流”這一概念，開始對(duì)二維圖像的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的研究;20世紀(jì)60年代，機(jī)器視覺(jué)研究逐漸興起，Roberts等人對(duì)三維視覺(jué)的研究奠定了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究理論的基礎(chǔ);20世紀(jì)70年代，機(jī)器視覺(jué)起步，David Marr提出了一個(gè)新的理論——Marr視覺(jué)理論，是機(jī)器視覺(jué)研究領(lǐng)域的第一個(gè)重要理論框架，并開始形成系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)理論;20世紀(jì)80年代，機(jī)器視覺(jué)蓬勃發(fā)展，全球迎來(lái)了機(jī)器視覺(jué)研究的熱潮，新的研究方法與理論如主動(dòng)視覺(jué)理論框架、視覺(jué)集成理論框架等不斷涌現(xiàn);20世紀(jì)90年代，機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)化形成，眾多機(jī)器視覺(jué)企業(yè)成立，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)開始在各行業(yè)得到應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代。我國(guó)引進(jìn)的第一批機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于南方電子半導(dǎo)體工廠。國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展可分為4個(gè)階段：第1階段是20世紀(jì)80年代的機(jī)器視覺(jué)起步階段，該階段主要技術(shù)和相關(guān)設(shè)備;第2階段是1999—2003年的啟蒙階段，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)公司技術(shù)主要通過(guò)代理國(guó)際機(jī)器視覺(jué)技術(shù)廠商的一些系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)及機(jī)器視覺(jué)二次開發(fā)應(yīng)用;第3階段是2004—2007年的成長(zhǎng)階段，這一階段國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)企業(yè)開始從學(xué)習(xí)階段過(guò)渡到本土技術(shù)研發(fā)階段，開始占據(jù)初級(jí)市場(chǎng);第4階段是從2008年至今的高速成長(zhǎng)階段，該階段，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)器視覺(jué)核心器件研發(fā)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，機(jī)器視覺(jué)行業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展。據(jù)中國(guó)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)銷售超額百億，增速超20%。

2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)是一門涉及多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科[2]，對(duì)其各部分的發(fā)展研究是促進(jìn)視覺(jué)系統(tǒng)快速發(fā)展的關(guān)鍵。一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要有光源設(shè)備、相機(jī)、鏡頭、圖像處理卡以及輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)等;軟件部分主要是指圖像處理視覺(jué)軟件和圖像處理方法。典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)先在一定的光源條件下由相機(jī)拍攝目標(biāo)圖像獲得圖像信息，再利用視覺(jué)軟件對(duì)圖像采集卡所采集的信息進(jìn)行處理，通過(guò)配套的控制裝置傳遞相應(yīng)的控制信號(hào)，以控制相應(yīng)的執(zhí)行裝置工作。

2.1 光源

光源是影響圖像成像質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，主要作用是突出目標(biāo)特征和抑制無(wú)關(guān)特征，增加目標(biāo)需檢測(cè)部分與非檢測(cè)部分的對(duì)比度，同時(shí)需要保證足夠的亮度和穩(wěn)定性，以確保圖像成像質(zhì)量。光源的種類較多，需針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景選用合適的照明光源以達(dá)到最佳效果[3]。在光源選用上，選用不同顏色的光源照射目標(biāo)物體，使目標(biāo)反射所需的光，吸收不需要反射的光。在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，選用不同的照明方案也是突出目標(biāo)特征的關(guān)鍵。常見的照明方案有暗場(chǎng)直接正面照明、明場(chǎng)漫射背光照明和明場(chǎng)平行背光照明等。

2.2 相機(jī)及鏡頭

相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心組件，功能是將所采集的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾娦盘?hào)。圖像傳感器是相機(jī)的核心感光元件，主要分為電荷耦合器件（Charge Coupled Devices，CCD）和互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiwnductor，CMOS）兩種。它們的主要差異體現(xiàn)為不同的芯片技術(shù)結(jié)構(gòu)[4]。CMOS相機(jī)將采集光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電子元件集成于芯片，使相機(jī)能夠更快地讀取圖像數(shù)據(jù)。而CCD相機(jī)無(wú)須在芯片表面安裝電子元件，通過(guò)使用芯片的表面捕捉光線，因此對(duì)光線比較敏感，適用于弱光條件。

鏡頭是機(jī)器視覺(jué)的“眼球”。鏡頭的選擇影響著分辨率、對(duì)比度及景深等關(guān)鍵成像指標(biāo)，是決定圖片質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵。目前，鏡頭朝著高清晰度和強(qiáng)光譜透射能力發(fā)展。先進(jìn)的高分辨率和廣域鏡頭是鏡頭未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 圖像采集處理

圖像采集卡的作用是對(duì)圖像信息進(jìn)行采集、壓縮、保存，控制圖像的分辨率，高速傳送圖像信息。圖像處理是對(duì)相機(jī)采集到的原始圖像信息進(jìn)行各種處理，突出有用的特征信息，過(guò)濾無(wú)用的信息[5]。針對(duì)不同的特征信息有不同處理方法，目前常用的方法有圖像降噪、圖像增強(qiáng)、圖像分割及圖像特征提取等。

2.4 機(jī)器視覺(jué)軟件

機(jī)器視覺(jué)軟件是機(jī)器視覺(jué)的“大腦”。常見的視覺(jué)軟件可按功能分為兩類：一類是專用功能（如金屬鑄件檢測(cè)、BGA錫珠檢測(cè)以及LCD檢測(cè)）;另一類是通用功能（如測(cè)量、定位、實(shí)時(shí)反饋以及分類檢測(cè)）。按視覺(jué)軟件側(cè)重面可分為3大類：第1類為圖像處理方面的視覺(jué)軟件（如OpenCV、Halcon、Vision Pro）;第2類為算法方面的視覺(jué)軟件（Matlab、LabVIEW）;第3類為相機(jī)SDK開發(fā)的視覺(jué)軟件（eVision）。目前，應(yīng)用較為廣泛的視覺(jué)處理軟件是Halcon、OpenCV和Vision Pro。Halcon具有1 400多個(gè)獨(dú)立算子，可供多種開發(fā)語(yǔ)言調(diào)用，同時(shí)具有獨(dú)特的底層數(shù)據(jù)管理和多種開發(fā)語(yǔ)言接口、工業(yè)相機(jī)接口;OpenCV是一個(gè)開源跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，適應(yīng)多種操作系統(tǒng)，同時(shí)支持多種編程語(yǔ)言，但OpenCV的開發(fā)周期相對(duì)長(zhǎng);Vision Pro是由美國(guó)Cognex公司研發(fā)的一款視覺(jué)軟件，具有圖像預(yù)處理、拼接和標(biāo)定等功能，開發(fā)效率較高，可采用圖形編程，也可采用API函數(shù)編程。近些年，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)發(fā)展迅速，發(fā)展較好的視覺(jué)軟件有深圳OPT的Sci Smart智能視覺(jué)軟件、陜西維視圖像Vision bank以及北京凌云光Vision WARE等。

3 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在以智能制造為核心的工業(yè)4.0時(shí)代背景下，以及《中國(guó)制造2025》等戰(zhàn)略部署的不斷深入，我國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，基于機(jī)器視覺(jué)的智能制造市場(chǎng)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。智能制造是工業(yè)變革的重要方向，是制造業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是智能制造核心技術(shù)，對(duì)我國(guó)工業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。目前，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)主要應(yīng)用于金屬加工、包裝、電子及半導(dǎo)體和工業(yè)機(jī)器人等行業(yè)。

3.1 金屬加工和包裝行業(yè)

在機(jī)械制造工業(yè)中，金屬加工過(guò)程尤為重要。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以提高金屬加工效率，實(shí)時(shí)檢測(cè)金屬加工過(guò)程和加工產(chǎn)品表面質(zhì)量，推動(dòng)制造業(yè)朝著更高的自動(dòng)化方向發(fā)展[6]。

隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療、食品、煙草、飼料及印刷等行業(yè)的生產(chǎn)效率不斷提高，對(duì)產(chǎn)品包裝效率的要求也不斷提高。目前，我國(guó)包裝產(chǎn)業(yè)包裝效率低、成本高、智能化水平低，導(dǎo)致包裝產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展速度緩慢。然而，基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)的智能包裝系統(tǒng)具有包裝效率高、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、智能化程度高及運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)。基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的包裝系統(tǒng)是推動(dòng)我國(guó)包裝行業(yè)轉(zhuǎn)型的重中之重。

3.2 電子及半導(dǎo)體行業(yè)

中國(guó)是世界最大的3C（計(jì)算機(jī)類、通信類、消費(fèi)電子類）產(chǎn)品制造國(guó)，產(chǎn)能約占全球的70%。從我國(guó)機(jī)器視覺(jué)工業(yè)上的應(yīng)用分布來(lái)看，46%都集中在電子和半導(dǎo)體行業(yè)。電子和半導(dǎo)體制造是機(jī)器視覺(jué)的核心應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)殡娮釉O(shè)備和半導(dǎo)體制造對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)存在剛性需求。在半導(dǎo)體制造中，前、中段都需要機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的精密定位與測(cè)量功能，后段制造過(guò)程中，晶圓的電器檢測(cè)、切割、AOI封裝以及缺陷檢測(cè)等過(guò)程也都需要大量運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。

3.3 工業(yè)機(jī)器人行業(yè)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用功能主要是定位、引導(dǎo)、糾偏及實(shí)時(shí)反饋。隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化和智能化的迅速發(fā)展，人們對(duì)工業(yè)設(shè)備的工作精度和運(yùn)行效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)人工控制設(shè)備存在不能保證高精度、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定以及工作效率低等問(wèn)題，無(wú)法滿足當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)具有實(shí)時(shí)性好、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，提升了工業(yè)機(jī)器人的柔性和智能化水平[7]。

4 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展還面臨很多問(wèn)題。解決這些問(wèn)題是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，也是未來(lái)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

4.1 國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品的硬件主要依賴進(jìn)口

國(guó)內(nèi)在智能相機(jī)與傳感器研發(fā)中，結(jié)合光學(xué)物理學(xué)科是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的相機(jī)及傳感器發(fā)展的一個(gè)重要突破口。在工業(yè)鏡頭與光源上，研發(fā)高分辨率鏡頭和更小的光源是關(guān)鍵。

4.2 模塊化的通用型軟件平臺(tái)和結(jié)合AI技術(shù)軟件平臺(tái)是視覺(jué)軟件的發(fā)展方向

視覺(jué)軟件會(huì)縮短開發(fā)周期并降低對(duì)開發(fā)技術(shù)人員的要求。由于與之相匹配的算法工具發(fā)展有限，導(dǎo)致機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在智能性方面達(dá)不到工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用要求，因此需加快相關(guān)算法的升級(jí)創(chuàng)新，從而進(jìn)一步提升機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的智能性，其中模塊化的通用軟件平臺(tái)和結(jié)合AI技術(shù)軟件平臺(tái)是視覺(jué)軟件的發(fā)展方向。

4.3 機(jī)器視覺(jué)由2D視覺(jué)逐步向3D視覺(jué)發(fā)展

隨著算法算力的不斷提升，為使機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于更多復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中，如基于機(jī)器視覺(jué)的三維重建及修補(bǔ)技術(shù)、三維掃描以及3D識(shí)別等技術(shù)對(duì)3D視覺(jué)技術(shù)有更高的要求。

4.4 機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用

可將機(jī)器學(xué)習(xí)的算法應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)軟件，提升系統(tǒng)運(yùn)算處理能力?？蓪⑸疃葘W(xué)習(xí)的特征學(xué)習(xí)能力和特征表達(dá)能力與機(jī)器視覺(jué)的實(shí)時(shí)性和高效性相結(jié)合，提升機(jī)器視覺(jué)的工作效率。

4.5 機(jī)器視覺(jué)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)亟待規(guī)范完善

目前，一套機(jī)器視覺(jué)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中往往需要搭配與之配套的硬件設(shè)備和專用的視覺(jué)軟件，導(dǎo)致機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品的通用性很低。需出臺(tái)完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高相關(guān)設(shè)備的通用性，降低生產(chǎn)成本和維修費(fèi)用，從而加快機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化的必要手段。隨著深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、3D技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)互聯(lián)互通技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)智能化水平不斷提升，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)智能領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)朝著智能識(shí)別、智能檢測(cè)、智能測(cè)量以及智能互聯(lián)的完整智能體系方向發(fā)展，從而更好地發(fā)揮其高精準(zhǔn)度、高效率的作用，為中國(guó)智能產(chǎn)業(yè)開啟“智慧之眼”。

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